复合固体推进剂细观结构建模及脱黏过程数值模拟

为研究复合固体推进剂损伤演化规律,基于分子动力学颗粒填充算法构建了HTPB(hydroxyl terminated polybutadiene)推进剂细观结构模型,通过在AP(ammonium perchlorate)颗粒/HTPB基体界面处引入黏接接触替代传统的黏接单元,并基于Hooke Jeeves的参数优化算法反演得到颗粒/基体界面处内聚力模型参数,利用双线性和自定义指数型损伤内聚力模型模拟了AP颗粒和HTPB基体黏接界面处损伤的萌生、发展、聚合直至宏观裂纹破坏的过程。通过数值仿真与实验结果对比发现,指数型损伤内聚力模型比双线性模型能更准确描述推进剂单轴拉伸过程中颗粒与HTPB基体界面间脱黏过程。最后对比了多阶段加载实验结果与仿真结果曲线,发现两者变化趋势基本一致,最大偏差仅为10%,验证了所建细观模型的可靠性及反演所得界面参数的准确性。      

固体火箭发动机装药粘接界面Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型反演研究

针对以人工试算的方式获取粘接界面所采用的张开型-剪切型(Ⅰ-Ⅱ)混合型内聚力模型存在精度低且工作量大等问题，采用分步反演与Hooke-Jeeves优化算法相结合的识别方法，基于矩形粘接试件多角度拉伸载荷-位移实测数据，对装药粘接界面所采用的Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型开展反演研究。反演结果表明：拉伸速率为5mm/min时，界面刚度、最大名义应变、临界断裂能的法向值分别为0.17MPa,3.85,6.14kJ/m²，切向值分别为0.09MPa,1.66,2.66kJ/m²;0°，22.5°，45°拉伸的仿真与实测载荷-位移曲线的相对误差分别为7.2%,5.1%,5.2%；基于反演获取的Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型的界面损伤系数分布图定量分析粘接界面的破坏情况，与实验结果吻合良好。以上均表明所采用的反演方法可有效修正粘接界面Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型的相关参数。     

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。     

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。     

率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型

采用实验与反演相结合的方法构建了端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层界面的率相关的内聚力模型.采用改进的单搭接试件完成了HTPB推进剂/衬层界面的断裂实验研究,采用内聚力单元方法对单搭接试件进行了数值研究,结合基于Hook-Jeeves优化算法的反演识别程序,获取了不同加载率下的界面断裂参数.由于界面断裂参数具有明显的率相关性,通过构建率相关的损伤函数,构建了基于双线性内聚力模型的率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型.模型预测结果和实验结果的对比相关系数大于99%,说明本文所建立的 率相关内聚力模型具有较高的准确性,能够准确描述加载率为5~200mm/min时推进剂/衬层界面的断裂性质.      

基于光纤传感器的SRM界面黏接应力监测

界面黏接应力是SRM(固体火箭发动机)药柱结构完整性重要方面,也是健康监测的重要参数。为实现对黏接应力实时在线监测,设计了一种聚合物封装的FBG(光纤布拉格光栅)传感器,将其埋入HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)推进剂/衬层界面黏接试件中。通过对试件在受到拉应力作用下FBG传感器反射光谱的模拟和应力响应测试试验研究了FBG传感器对应力响应规律。结果表明:FBG传感器中心波长随着试件的拉应力增大而减小,线性度较好,且传感器具有较高的灵敏度和稳定性。试件黏接性能测试试验中,FBG传感器性能保持完好,黏接试件强度满足技术指标,验证了传感器封装和埋入方式的可行性。      

基于扩展有限元的改性双基推进剂的开裂过程模拟研究

为研究和模拟改性双基推进剂(CMDB)在准静态条件下的断裂特性,利用扩展有限元XFEM技术,建立了中心直裂缝含加载平台的圆盘形三维模型。基于线粘弹性理论,通过单轴拉伸实验直接获取改性双基推进剂的最大拉应力8.21MPa,作为仿真模型中裂纹粘聚区的断裂强度,模拟了固体推进剂在静态加载条件下裂纹实时扩展过程。结果表明实验和仿真过程中裂纹均首先呈I型扩展,最后以复合断裂形式扩展失效。讨论了推进剂在压缩断裂过程中裂纹扩展区的应力变化对裂纹扩展的影响,发现实验预期结果与仿真结果符合性良好,说明扩展有限元法能够为改性双基推进剂断裂过程的数值模拟提供新的方法。     

基于原位拉伸的推进剂/衬层界面力学性能研究

为了解释某种HTPB复合固体推进剂/衬层粘接试件载荷-位移曲线的"双峰"特征,设计了一种基于推进剂/衬层微型试件的原位拉伸试验方法,根据界面细观破坏形态与载荷变化过程,提出了界面处颗粒脱湿及基体断裂过程分别对应两个载荷峰的假设。采用改进的并联Maxwell元件模型对界面断裂行为进行了模拟计算,重现了断裂过程的载荷-位移曲线的"双峰"特征,验证了假设的合理性。通过模拟计算实测曲线,给出了推进剂基体与颗粒之间的近似粘接强度等参数,为推进剂/衬层粘接系统细观材料参数计算方法提供了一种参考。     

损伤演化对Ti6Al4V高速切削仿真结果的影响

利用ABAQUS有限元分析软件建立了Ti6Al4V二维切削仿真模型，在模型其他参数（本构参数、初始损伤参数等）固定不变时，得到了不同损伤演化特征参数（断裂能）取值下的切削力、切削温度和切屑形貌，以此来研究损伤演化过程对仿真结果的影响。研究发现随着断裂能取值的减小，仿真的切削力、切削温度会降低，切屑的锯齿化程度会变得严重。在切削速度为180 m/min，进给量为0.1 mm/r的条件下进行了Ti6Al4V正交切削实验，测量了切削力，将仿真得到的主切削力和切屑锯齿化程度与实验结果进行对比，确定了适合本研究建立的仿真模型的合理断裂能值。结果表明，在使用此断裂能取值时，仿真得到的切削力和切屑形态与实验值有很好的一致性。在消除了能量密度对仿真模型的影响后，进行了4组验证实验，仿真结果与验证实验的结果相吻合，证明了断裂能取值的准确性。     

机身加筋壁板环向裂纹损伤容限试验与分析

机身壁板是飞机结构中的主要承力构件,也是损伤的主要产生部位,研究机身加筋壁板的裂纹扩展规律和剩余强度特性具有重要意义。在轴向拉伸载荷作用下,对含环向裂纹的机身加筋壁板进行损伤容限试验;利用ANSYS有限元软件对试验件进行应力强度因子分析,估算裂纹扩展寿命;基于线弹性断裂力学准则和线弹性断裂力学加塑性修正准则,计算剩余强度特征曲线,并对比分析计算结果和试验结果。结果表明:计算得到的裂纹扩展寿命与试验结果的相对误差为6.3%,满足工程要求;线弹性断裂力学加塑性修正准则估算的剩余强度更为合理,误差仅为2.6%,且偏安全。     

复合材料MMB试件I-II混合型层间裂纹扩展分析

基于经典层合板理论及双线性黏聚区本构关系，建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型，对I-Ⅱ混合型弯曲（MMB）断裂试件进行了裂纹扩展理论分析。提出了一种I-Ⅱ混合型断裂叠加模型，引入I型裂纹分量的刚体转动位移，同时考虑了裂纹长度超过试件半长后中部载荷分量对裂纹扩展的闭合效应，并根据黏聚区力学响应，分段获得了位移函数通解。结合叠加模型的边界条件与连续性条件，分析了MMB试件的裂纹扩展过程，求解获得了载荷-位移曲线。通过与梁模型预测以及试验结果进行对比，验证了本文模型对I-Ⅱ混合型裂纹扩展预测的有效性和准确性，并讨论了初始断裂模式混合比及闭合效应对裂纹扩展过程的影响。结果表明：初始Ⅱ型裂纹比重较大时，中部载荷的闭合效应更为明显，可能出现I型裂纹完全闭合的情况；裂纹扩展过程中，当裂纹长度小于试件半长时，断裂混合比基本保持常数；当裂纹扩展超过试件半长后，闭合效应明显，混合裂纹形式逐渐向单一型断裂模式退化。     

基于探针试验的预浸料黏性内聚力模型

以预浸料黏性为研究对象,通过探针试验,研究了预浸料铺放过程中预浸料与模具之间的脱粘失效行为及其随铺放工艺参数的变化规律。试验中发现铺放速率、压力和温度对预浸料黏性行为影响显著,且存在界面失效（低温）和内聚失效（高温）两种失效模式。针对这一现象,采用指数内聚力模型（CZM）表征了预浸料的黏性行为,利用该模型描述了不同铺放温度下粘结层应力快速上升、损伤扩展和最终失效的脱粘过程,定量地给出了黏性CZM参数与铺放工艺参数之间的关系。研究结果表明,预浸料粘结强度和特征位移均随铺放速率增加而近似线性减小,均随铺放压力增加而近似线性增大。随铺放温度的增加,黏性CZM参数先增大后减小,近似呈二次关系。为制定特定铺放条件下的铺放工艺规划提供参考。     

纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展

纤维增强复合材料层合板在航空航天等领域被广泛应用，分层损伤是层合板主要的损伤形式，一直是复合材料力学研究的焦点问题之一。本文从试验研究、理论分析和数值模拟3个方面对国内外在纤维增强复合材料分层问题所取得的研究成果进行了系统综述，重点介绍了单向复合材料I型、Ⅱ型和I/Ⅱ复合型层间断裂韧性测试方法和原理以及多向层合板分层扩展行为的试验研究。得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型，并详细阐述了采用内聚力模型（CZM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元方法（XFEM）等先进数值方法模拟分层扩展的研究现状。最后，对复合材料层合板分层扩展研究的发展方向进行了展望。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。     

胶接修补复合材料层合板失效分析的PDA-CZM方法

建立了一种预测胶接修补复合材料层合板的损伤演变与剩余强度的PDA-CZM方法。该方法应用三维渐进损伤分析（PDA）方法和粘聚区模型（CZM）分别模拟复合材料层合板和修补胶层的失效过程。对修补层合板的纤维断裂、基体开裂、层间分层以及胶层脱胶等损伤的萌生和扩展以及它们之间的耦合作用进行了研究。计算得到了修补结构的载荷--位移曲线,并预测了其极限强度。计算结果和试验数据吻合良好,验证了PDA-CZM方法的有效性。最后,讨论了修补参数对剩余强度的影响规律。     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题，基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系，考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌，依据表、界面裂纹位置、性质不同，分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型，结合围线积分和内聚力单元法，分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态，研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响，揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明，表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态，靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%，且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%，表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导，界面裂纹对其影响相对较小，分析结果与试验结果一致。      

缝合复合材料T型接头拉伸载荷下的有限元数值模拟

利用ABAQUS软件对拉伸载荷下的缝合T型接头进行建模与分析,采用基于内聚力模型（CZM）的黏聚接触方法来模拟筋条与蒙皮的脱粘行为,以基于细观力学的非线性弹簧模拟缝线在上下界面的增强作用。在模型基础上对缝线直径进行参数化分析,研究其对T型接头拉伸性能的影响。结果表明：随缝线直径增大,接头极限破坏载荷提高,即拉伸承载能力提高。有限元分析结果与试验值吻合较好。值得注意的是,当缝线直径增大到1 500旦尼尔时,模拟结果与试验数据存在10.4%的误差,这是因为模型未考虑缝合对层合板面内性能的影响,忽略了缝线可能造成的材料损伤。考虑到T型接头在拉伸载荷作用下的破坏模式主要是I型和Ⅱ型破坏,因此宜采用二维有限元模型进行参数化分析,计算效率高并且与试验结果吻合较好。